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USB Power Delivery將促使3C與行動裝置充電標準趨於一統

USB Power Delivery拓樸與運作架構。Source: USB-IF

過去各種ICT裝置得仰賴其專屬充電 / 供電配件,造成攜帶不便與日後隨裝置淘汰的浪費與環保議題,繼歐盟立法統合手機廠以microUSB為唯一充電標準,USB-IF協會正全力推廣架構於USB的Power Delivery(PD)充電 / 供電源規範,使現有ICT裝置從顯示器、桌機、週邊到平板、手機等,只憑一條USB連接線連接就能傳輸資料同時充電…

3C供充電配件各行其道

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具備USB PD 2.0的USB 3/3.1連接線將可從筆電端、螢幕端或Hub端送出所有連在USB匯流排線上的裝置電力。Source: USB-IF

USB Power Delivery將涵蓋從手機、數位相機、行動裝置、外接儲存週邊、筆電、AIO一體機、顯示器資料傳輸/充電一條通的境界。Source: USB-IF

各種IT、3C裝置依照設計功率、輸出入電壓或插孔孔徑的不同,有其專屬的電源供應器 / 充電配件,大小、線材長短、變壓器大小不一,擁有筆電、手機、平板與週邊的用戶,出差在外每個裝置的充電配件都要帶齊全;常遇到帶筆電充電器的人整天擔心不夠電,忘了帶手機充電線又沒多帶顆電池的人,得到處借充電線來充電,也是辦公室常有的情況。

另外一方面,當IT、3C裝置因為故障、效能不足或年限到了要淘汰時,其專屬電源供應器 / 充電配件即便功能正常無誤,往往處置方式就是跟著裝置一起丟棄,造成充電 / 供電器無法循環回收再利用的環保議題。

架構於USB的供充電規範-從BC 1.2、microUSB到PD

USB(Universal Serial Bus;通用序列匯流排)自1996年1月提出時,就以其即插即用的便利性,12年(1996∼2008)從1.5Mbps到USB 3.0的5Gbps(3,200倍傳輸速率)大躍進,從家中電視、筆記型電腦、平板電腦、智慧手機、外接儲存裝置、數位相機,辦公室中的工作用電腦、印表機,甚至汽車中的車載資通訊娛樂系統(InfoTainment),都仰賴USB來進行資料傳輸,可說是最廣泛應用的傳輸介面。

如果USB能再提供充電 / 供電功能,應可鼓勵各種ICT裝置的充電╱供電配件簡化並且相互通用,減少資源浪費與解決環保問題。

在USB 2.0時代,可提供5V@500mA=2.5W的電力,而USB-IF協會旗下Battery Charging工作小組開始推動以USB/miniUSB/microUSB連接線做為行動裝置電池供電器的充電規範。包括2007年Battery Charging(BC) v1.0規範,與2009年BC v1.1規範;2008年USB 3.0規範推出後,可提供5V@900mA=4.5W的電力。

2010年12月的BC v1.2規範,提供可同時傳輸 / 充電的SDP慢充模式、可直接使用AC交流電的DCP、CDP快充模式,進一步支援5V@1500mA=7.5W的電流功率。

2009年6月歐盟與Nokia、三星、LG、Sony Ericsson等14家手機廠達成協議,進而於2011年建議採用microUSB介面作為智慧手機充電規格標準,藉此減少充電器在3C產品損壞後無法重複利用的情形;當越來越多手機商均以microUSB做為充電規格後,歐盟開始強制規範自2017年起,所有智慧手機均需使用microUSB接頭;就連採自家專屬lightning傳輸 / 供充電界面設計的蘋果,也不得不針對歐洲市場,提供microUSB轉換配件以符合歐盟規範。

歐盟下一步計畫讓筆電產品也能使用相同充電介面,甚至進而推廣,讓各種ICT裝置的電源供應器 / 連接線能夠簡化甚至統一成一種,不僅能夠彼此互用,也減少資源浪費與解決環保問題。

Power Delivery百瓦供電  筆電平板手機週邊連接充電一條通

無論是USB 2.0的2.5W、USB 3.0的4.5W或BC 1.2的7.5W,這些過去伴隨在USB匯流排的充電 / 供電規格,雖可符合像是手機、MP3的充電需求,但往往需要耗費很多時間才能充飽電;即便是BC 1.2規範上,僅7.5W的供充電功率,光對一般智慧手機充電就要耗費數十分到數小時不等,對稍大尺寸的平板甚至筆電裝置,要做充電 / 供電根本辦不到。

於是USB-IF另外成立了電力傳輸(Power Delivery)工作小組,著手進行藉由USB匯流排提供更大功率充電 / 供電電流的雄心。2012年7月首度公佈USB Power Delivery(PD) 1.0規範,透過5種供電設定級別(Profile 1∼5),最高達100瓦的電力傳輸量,以及供電端(Source)與接電端(Sink)可以互向的雙向式的電源供應特性,讓各種裝置均能透過單獨一條USB線纜滿足供電需求,縮短裝置充電時間並優化行動應用的便利性。同時能夠跟既有USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0充電規範相容。

USB Power Delivery技術與架構詳解

USB Power Delivery (USB PD)在充電 / 供電規格上,制定了最基本的Profile 1 (提供5V@2A, 10W供電,適用於手機、數位相機等可攜裝置)、Profile 2 (提供5V@2A、12V@1.5A, 10∼18W供電,適用於平板電腦、外接儲存裝置)、Profile 3 (提供5V@2A、12V@3A, 10~36W供電,適用於Ultrabook、變形平板等裝置)、Profile 4 (提供5V@2A、12/20V@3A, 10∼60W供電,這是microUSB能支援的最大供電規格,適用於一般高效能筆電、AIO電腦),以及最高級別Profile 5 (提供5V@2A、12/20V@5A, 10∼100W供電,用於標準A/B與Type-C連接頭,可接液晶顯示器、平面電視)。

USB PD架構上定義了供電端(Provider)與受電端(Consumer),兩端各自有數據溝通以及提供額外電力的IC晶片(SuperSpeed InterChip;SSIC),並利用23.2MHz的VBUS收發載頻,以300kbps傳輸速度來傳遞Frequency Shift Keying(FSK)信號,並決定實際發送的電壓值與電流值;而在8月新公布的USB PD 2.0規格,則首度支援新型態的無方向性Type-C連接頭,並改採藉由CC匯流排進行雙向溝通並決定發送電壓 / 電流值。

支援USD PD的連接頭,則在傳統USB連接頭圖案左邊加了SS字母,而同時支援USB 3.1與PD 2.0的USB連接頭,還在右上方多加了一個10的字母,代表著具備10Gbps的高傳輸速率。以USB PD Standard-A連接器為例,在板端的USB PD Standard-A插座內增加了PD Detect腳位,利用USB接頭與插座之間的偵測腳位接觸與否,來判斷所連接的纜線是否支援USB PD規格。

USB PD Standard-B連接器,則透過 USB PD Standard-B插座內的ID腳位,來判斷所連接的纜線是否支援USB PD規格。同時依據內置電容位置,來判斷承受3A電流或5A電流負載。

USB PD的應用與市場動態

傳統的使用情境,主機多半作為供電端,提供電力給連接的螢幕顯示器(或螢幕自己獨立接電源)、筆電或硬碟;手機和硬碟作為受電端,可吃主機或筆電的電。在2013年美國CES國際消費性電子展中,USB-IF協會首度展示一部接電且符合USB PD規格的顯示器,透過USB纜線供電給一部設計功率65瓦的筆記型電腦,並可再與另一台螢幕相連作為延伸桌面顯示。

當顯示器、筆電與平板都支援USB PD時,顯示器、筆電與平板可是供電端也可以當受電端。當筆電、平板電力不足或沒帶電源供應器時,可透過螢幕來供電;當螢幕需要電力時,也可透過主機、筆電或平板進行供電。這兩者也可以在其他裝置像是手機、外接硬碟等需要電力時,透過USB Hub的連接來傳送電力,或者反過來透過Hub傳送電力給筆電、平板,同時仍可進行資料傳輸。

這樣雙向性的靈活串接運用,只要在產品供電端與受電端增加USB PD數據溝通IC,隨插即充的夢想即可實現。USB PD技術根基於既有低價且已大量普及的USB 介面與纜線,未來在各種USB PD產品應用想必可以加速普及,自然也成為各廠家在2014H2∼2015年所期待的新技術應用。

就市場面來看,除了英特爾(Intel)為USB PD的主要技術推手,包括德州儀器(TI)、被微晶片科技(Microchips)購併的標準微系統公司(SMSC),已於2013年就率先展示PD 1.0供充電晶片,另外美商安森美半導體(ON Semiconductor)、荷商恩智浦半導體(NXP)等大廠,也是初期開發USB PD的SSIC數據溝通晶片的先驅者。

台達電(Delta Electronics)已著手研發符合USB PD 1.X的電源供應器╱供充電配件,優先於PC產品導入(Profile 4/5),隨後導入行動裝置產品。創惟科技(Genesys Logic)的Power Delivery 1.0晶片產品於2013年下半發布,支援PD 2.0的晶片產品則預計2015年上半發布。祥碩(ASMedia)則預計於2014年第3季,發表相關USB PD的應用產品。

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